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Freiläufe von Ringspann regulieren das dynamische Zusammenspiel der Motoren: Ausgabe 02/2020, 07.10.2020

Das funktionelle Bindeglied hybrider Antriebe

Wenn die Hersteller von Mobilkranen, Baumaschinen oder Schwertransportern ihre Triebwerke entwickeln, sind die Freiläufe von Ringspann oft mit von der Partie. Denn häufig werden diese Spezialfahrzeuge von leistungsstarken Hybridsystemen aus Diesel- und Elektromotoren bewegt, für deren arbeitsteiliges Kräftespiel beispielsweise die Überholfreiläufe der Baureihe FKh verantwortlich sind. Der Grund dafür: Ohne aufwendige Steuerungstechnik lassen sich mit dieser hydrodynamischen Schaltkupplungslösung sowohl hohe Drehzahlunterschiede zwischen den Motoren realisieren als auch verschiedene Motoren des gleichen Antriebsstranges wechselweise ein- und auskuppeln.

Autor: Mika Strandthaler

Bilder: Ringspann

Hybride Antriebslösungen setzen sich im OffHighway- und Heavy-Duty-Sektor des internationalen Fahrzeugbaus zunehmend durch. Inzwischen kommen sie in Mobilkranen und Schwertransportern ebenso zum Einsatz wie in vielen Erdbewegungs-, Strassenbau- und Baustellen-Fahrzeugen. Typischerweise kombinieren diese hybriden Triebwerke moderne Dieselmotoren mit leistungsstarken (asynchronen) Elektromotoren, sodass sich die Räder der mobilen Maschinen entweder von einem der Aggregate oder von beiden im Duett antreiben lassen. Nun muss sich der Anwender allerdings darauf verlassen können, dass dieses arbeitsteilige Zusammenspiel zwischen Verbrenner und E-Drive über lange Zeit zuverlässig und effizient funktioniert. Aus diesem Grund setzen viele Konstrukteure von hybriden Antrieben die Überholfreiläufe von Ringspann ein. Dabei sind es hier insbesondere die Freiläufe der Baureihe FKh, die sich als dynamische Vermittler zwischen den rotierenden Kräften der Systeme bewähren. «Diese einbaufertigen Komplettfreiläufe zur stirnseitigen Schraubmontage erweisen sich häufig als Ideallösung für das ebenso sichere wie einfache Management hoher Drehzahlen in raumoptimiert konstruierten Hybrid-Triebwerken. Das liegt vor allem an ihrer hydrodynamischen Klemmstückabhebung, die sich bestens eignet für den Wechsel zwischen Leerlauf- und Mitnahmebetrieb in Mehrmotorantrieben, bei denen die Drehzahlen in beiden Betriebsmodi gleich hoch sind», sagt Thomas Heubach, der Leiter der Freilauf-Sparte von Ringspann.

Ein- und Auskuppeln ohne Impuls von aussen
Bei den Überholfreiläufen der Baureihe FKh von Ringspann handelt es sich um kugelgelagerte, wartungsarme Komponenten, mit denen sich die verschiedenen Motoren hybrider Antriebssysteme ein- und auskuppeln lassen. Ein solcher Freilauf kann als kompakte Schaltkupplung verwendet werden zwischen Elektro- und Verbrennungsmotoren in gemeinsamen (oder parallelen) Antriebssträngen. Dabei erfolgt das Einkuppeln mit Drehmomentübertragung im Mitnahmebetrieb des Freilaufs, das Auskuppeln mit Drehmomentunterbrechung hingegen im Leerlaufbetrieb. Beides geht vollkommen ohne zusätzliche Regel- oder Steuerungstechnik vonstatten, denn die Funktionalität eines FKh-Überholfreilaufs basiert allein auf mechanischen und hydrodynamischen Prinzipien. Eingebaut werden die Freiläufe stets zwischen den beiden Antriebsquellen des hybriden Systems, und zwar derart, dass der Antrieb im Mitnahmemodus über den Innenring erfolgt, während der äussere Freilaufring im Leerlaufbetrieb überholt.

Ölstrom statt Fliehkraft
Das hydrodynamische Prinzip ist die grosse Stärke dieser Freilauf-Baureihe von Ringspann und macht sie so attraktiv für den Einsatz in schnelldrehenden Multi-MotorTriebwerken. Im Gegensatz zu Freiläufen, bei denen die Klemmstücke allein aufgrund der während der Rotation wirkenden Fliehkräfte abheben, erfolgt die Klemmstückabhebung bei den hydrodynamischen Überholfreiläufen durch einen Ölstrom. «Aus diesem Grund kann bei einem FKh-Freilauf die Drehzahl im Mitnahmebetrieb ebenso so hoch liegen wie die Leerlauf-Drehzahl», betont Spartenchef Thomas Heubach, und erläutert, was das in der Praxis bedeutet: «Das ergibt eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer der Klemmstücke, die im Überholbetrieb auf einem Ölfilm schwimmen und somit von der Innenlaufbahn getrennt sind. Der Instandhaltungsaufwand ist minimal und beschränkt sich auf einen gelegentlichen Ölwechsel. Daher sind diese Systeme auch extrem betriebssicher und anderen, bei denen keine mechanische Fliehkraftabhebung eingesetzt werden kann, weit überlegen.»

Grosses Entwicklungspotenzial
Ringspann liefert die Überholfreiläufe der Baureihe FKh in sechs Standardgrössen, ölbefüllt und montagebereit für Nenndrehmomente von bis zu 14’000 Nm und mit Bohrungen von 35 mm bis 95 mm. Bei den Herstellern von hybriden Triebwerken für Mobilkrane, Baumaschinen und Schwertransporter sind es derzeit vor allem die Grössen FKh 94 ATR und FKh 106 ATR, die sich lebhafter Nachfrage erfreuen. Spartenleiter Thomas Heubach ist zudem der Meinung, «dass die hybride Antriebstechnik in der Fahrzeugtechnik noch grosses Entwicklungspotenzial hat und einen wachsenden Zukunftsmarkt für hydrodynamische Überholfreiläufe darstellt. Insbesondere auch weil sich damit Lösungen realisieren lassen, die völlig ohne Elektronik auskommen und daher sehr einfach zu warten sind:»

Infoservice
Ringspann AG
Sumpfstrasse 7; 6303 Zug
Tel. 041 748 09 00, Fax 041 748 09 09
info@ringspann.ch, www.ringspann.ch



Viele Konstrukteure von hybriden Antrieben für Mobilkrane, Baumaschinen oder Schwertransporter setzen bei der Realisierung hybrider Antriebssysteme die Überholfreiläufe von Ringspann als hydrodynamische Schaltkupplungen ein.


Spartenleiter Thomas Heubach (2.v.l.): «Unsere einbaufertigen Komplettfreiläufe der Baureihe FKh sind häufig eine Ideallösung für das sichere und einfache Management hoher Drehzahlen in raumoptimiert konstruierten Hybrid-Triebwerken.» Mit im Bild (v.l.n.r.) sind die Freilauf-Experten Sven Blecher (Stellvertretender Leiter Fertigungsteam Freiläufe), Frank Steinbart (Leiter Fertigungsteam Freiläufe) und Daniel Möller (Konstruktion Freiläufe) von Ringspann.


Die Freiläufe der Ringspann-Baureihe FKh bewähren sich in hybriden Antriebslösungen als dynamische Vermittler zwischen den rotierenden Kräften der Systeme.


Hydrodynamische Freiläufe von Ringspann haben eine Ölkammer mit Pumpe, deren Schöpfrohre mit dem inneren Freilaufring verbunden sind. Bei umlaufendem Aussenring entsteht in der Kammer ein Ölstrom, in den die Schöpfrohe eintauchen. Überholt der äussere den inneren Ring, fördern die Rohre das Öl in die Ringkammer. Von hier aus schiesst es durch den Ringspalt mit hohem Tempo in die Zwischenräume der Klemmstücke.

Schiffsbau

Hybride Antriebe
Überaus anschauliche Beispiele für den Einsatz von Überholfreiläufen in hybriden Antriebssystemen finden sich auch im Schiffbau. Bei grossen Fracht- und Passagierschiffen ermöglicht der Einsatz von Überholfreiläufen ein Umschalten von Dieselantrieb auf See auf die elektromotorische Fahrt im Hafen – leise, langsam und umweltschonend. Solange der Dieselmotor die Arbeit leistet, kann der Elektroantrieb als Generator dienen – in diesem Fall kuppelt der Freilauf den Antriebsstrang zusammen. Übernimmt aber der Elektromotor das Kommando und der Diesel pausiert, so kuppelt der Freilauf den Antriebsstrang aus. Der Hybrid wird seiner Bestimmung gerecht.

Funktionsweise

So funktioniert die hydrodynamische Klemmstückabhebung
Ein hydrodynamischer Freilauf verfügt über eine Ölkammer mit einer Pumpe, deren Schöpfrohre mit dem inneren Ring des Freilaufs verbunden sind. Bei umlaufendem Aussenring entsteht in der Ölkammer ein 360°-Ölstrom, in den die Schöpfrohe eintauchen. Überholt nun der äussere den inneren Ring, so fördern die Rohre das Öl druckvoll in die Ringkammer. Von hier aus schiesst es durch den Ringspalt mit hohem Tempo in die Zwischenräume der Klemmstücke. Abhängig von der Relativdrehzahl zwischen Aussen- und Innenring fliesst aber der Ölstrom nicht axial in die Zwischenräume, sondern abgewinkelt. Dadurch wird auf die Klemmstücke eine Reaktionskraft ausgeübt, die die Andrückkraft der Klemmstückfedern überwindet, sodass die Klemmstücke vom Innenring abheben. Der hydrodynamische Schmierkeil unterstützt diese Kinematik. Nimmt die Relativdrehzahl zwischen Aussen- und Innenring ab, sinkt auch die Abhebekraft. Vor Erreichen des Synchronlaufs kommen die Klemmstücke wieder sicher zur Anlage am Innenring und sind sperrbereit. Dadurch ist bei Synchrondrehzahl die sofortige Lastübernahme gewährleitet. Die hydrodynamische Klemmstückabhebung ermöglicht einen praktisch verschleissfreien Leerlaufbetrieb.